第四章

可逆控制和弱磁控制的直流調速系統內容提要直流PWM可逆直流調速系統V-M可逆直流調速系統弱磁控制的直流調速系統電動機除電動轉矩外還須產生制動轉矩，實現生產機械快速的減速、停車與正反向運行等功能。在轉速和電磁轉矩的坐標系上，就是四象限運行的功能，這樣的調速系統需要正反轉，故稱可逆調速系統。調速系統的四象限運行4.1 直流PWM可逆調速系統可逆？！4.1 直流PWM可逆調速系統PWM變換器電路有多種形式，可分為不可逆與可逆兩大類，帶制動電流通路的不可逆PWM-直流電動機系統，其電流能夠反向。之所以不可逆是因為平均電壓始終大于零，因而轉速不能反向。如果要求轉速反向，需要改變PWM變換器輸出電壓的正負極性，使得直流電動機可以在四象限中運行，由此構成了可逆的PWM變換器-直流電動機系統。4.1.1橋式可逆PWM變換器電動機負載較重：負載電流id1大，在續流階段電流仍維持正方向，電動機始終工作在第Ⅰ象限的電動狀態。負載很輕時：平均電流小，在續流階段電流很快衰減到零，于是二極管終止續流，而反向開關器件導通，電樞電流反向，電動機處于制動狀態。id2電流中的線段3和4是工作在第Ⅱ象限的制動狀態。在一個開關周期內，當0≤t<ton時，UAB=US，電樞電流id沿回路1流通；當ton≤t<T時，驅動電壓反號，id沿回路2經二極管續流，UAB=-US

。

,UAB的平均值為正，電動機正轉；反之則反轉。

,平均輸出電壓為零，電動機停止。4.1.1橋式可逆PWM變換器4.1.1橋式可逆PWM變換器雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為占空比ρ和電壓系數γ的關系為當ρ>1/2時，γ為正，電動機正轉；當ρ<1/2時，γ為負，電動機反轉；當ρ=1/2時，γ=0，電動機停止。4.1.1橋式可逆PWM變換器雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優點：（1）電流一定連續；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電動機停止時有微振電流，能消除靜磨擦死區；（4）低速平穩性好，系統的調速范圍大；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。雙極式控制方式的不足之處是：

在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態，開關損耗大，而且在切換時可能發生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。4.1.2直流PWM可逆直流調速系統轉速反向的過渡過程a點過渡到b點，Id從正向IdL降低為零。b點過渡到c點，Id從零反向上升到允許的制動電流-Idm。c點過渡到d點，回饋制動狀態，轉速將減速到0。d點過渡到e點，反向起動狀態,轉速要超調，轉速環退飽和。在f點穩定工作，電樞電流與負載電流-IdL相等。在坐標系上表示的電動機反向軌跡4.1.3直流PWM功率變換器的能量回饋橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的原理圖整流器H型橋式PWM變換器放電電阻濾波大電容圖微機數字控制雙閉環直流PWM調速系統硬件結構圖4.1.4單片微機控制的PWM可逆直流

調速系統4.2 V-M可逆直流調速系統4.2.1 V-M可逆直流調速系統的主回路及環流1．V-M可逆直流調速系統的主回路結構(a)提升工作，整流狀態 (b)下放工作，逆變狀態 (c)機械特性4.2 V-M可逆直流調速系統對于拖動位能性負載的起重機而言，采用單組晶閘管裝置就能實現重物的提升和下放。當α<90°時，平均整流電壓Ud0>E（E為電動機反電動勢），輸出整流電流Id，電動機產生電磁轉矩作電動運行，提升重物，這時電能從交流電網經晶閘管裝置傳送給電動機，V-M系統運行于第Ⅰ象限。α>90°，Ud0為負，晶閘管裝置本身不能輸出電流，電機不能產生轉矩提升重物，只有靠重物本身的重量下降，迫使電機反轉，產生反向的電動勢-E。當|E|>|Ud0|時，產生Id，因而產生與提升重物同方向的轉矩，起制動作用，使重物平穩下降。電動機處于反轉制動狀態，成為受重物拖動的發電機，將重物的位能轉化成電能，通過晶閘管裝置V回饋給電網，V則工作于有源逆變狀態，V-M系統運行于第Ⅳ象限。兩組晶閘管可控整流裝置反并聯可逆線路對于需要電流反向的直流電動機可逆調速系統，必須使用兩組晶閘管整流裝置反并聯線路來實現可逆調速。電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。整流時的電壓輸出：逆變時的電壓輸出：正組晶閘管裝置VF整流狀態VF處于整流狀態

f90°，Ud0fE，

n

0電動機從電路輸入能量作電動運行，運行在第Ⅰ象限。VR逆變處于狀態r90°，E>|Ud0r|，

n

0電機輸出電能實現回饋制動，V-M系統工作在第二象限。2．V-M可逆直流調速系統中的環流問題兩組晶閘管整流裝置同時工作時，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環流。反并聯可逆V-M系統中的環流Id—負載電流Ic—環流Rrec—整流裝置內阻Ra—電樞電阻當環流為零時，應有或 如果反組的控制角用逆變角表示，則這稱作α=β配合控制。為了更可靠地消除直流平均環流，可采用α≥β2．V-M可逆直流調速系統中的環流問題如果讓正組VF和反組VR都處于整流狀態，兩組的直流平均電壓正負相連，必然產生較大的直流平均環流。應該在正組處于整流狀態、Ud0f為正時，強迫讓反組處于逆變狀態，使Ud0r為負，且幅值與Ud0f相等，使逆變電壓Ud0r把整流電壓Ud0f頂住，則直流平均環流為零。2．V-M可逆直流調速系統中的環流問題為了實現α=β配合控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發脈沖零位都定在90°。當控制電壓Uc=0時，使f

=

r

=90°，此時

Ud0f

=

Ud0r=0，電機處于停止狀態。增大控制電壓Uc移相時，只要使兩組觸發裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了。是經過反號器AR后獲得α=β配合控制特性4.2.2V-M可逆直流調速系統的控制1．配合控制的有環流可逆V-M系統

在采用α=β配合控制以后，消除了直流平均環流，但這只是就電壓的平均值而言的，由于整流與逆變電壓波形上的差異，仍會出現瞬時電壓ud0f

>

ud0r的情況，從而仍能產生環流，這類因為瞬時的電壓差而產生的環流被稱為瞬時脈動環流。瞬時電壓差和瞬時脈動環流的大小因控制角的不同而異，以下分析三相零式反并聯可逆線路的情況，三相零式可逆線路和瞬時脈動環流回路(b)時整流電壓波形

(c)(時逆變電壓波形

)(d)瞬時電壓差和瞬時脈動環流波形

4.2.2V-M可逆直流調速系統的控制環流電抗器平波電抗器配合控制的有環流可逆V-M系統“待逆變狀態”“待整流狀態”直流平均環流和瞬時脈動環流都屬于靜態環流。還有一種動態環流，僅在可逆V-M系統處于過渡過程中可能出現。環流電抗可以按照把瞬時環流的直流分量限制在負載額定電流的5%~10%來設計。邏輯控制無環流可逆調速系統原理框圖DLC—無環流邏輯控制環節，ZC—零電流檢測環節2．邏輯控制的無環流可逆V-M系統2．邏輯控制的無環流可逆V-M系統ASR的輸出信號Ui*代表了轉矩方向，反轉運行和正轉制動都需要電機產生負的轉矩，正轉運行和反轉制動都需要電機產生正的轉矩，Ui*的極性恰好反映了電機電磁轉矩方向的變化。采用Ui*作為邏輯控制環節的一個輸入信號，稱作“轉矩極性鑒別信號”。邏輯切換的必要條件邏輯切換的充分條件Ui*的極性已發生變化，表示了系統期望的轉矩極性，在實際電流方向還未改變之前，仍須保持原先的開放和封鎖組別。邏輯切換轉折點的特征是電流降低到零。因此要把電流到零信號作為邏輯控制環節的第二個輸入信號，稱作“零電流檢測信號”，邏輯控制切換程序的流程圖封鎖延時tabl

大約需要半個到一個脈波的時間。在封鎖觸發脈沖后，已導通的晶閘管要過一段時間后才能關斷，再過一段時間才能恢復阻斷能力。如果在此以前就開放它組脈沖，仍有可能造成兩組晶閘管同時導通，產生環流。開放延時時間tdt

，一般應大于一個波頭的時間2．邏輯控制的無環流可逆V-M系統4.2.3轉速反向的過渡過程分析系統制動過程的三個階段：(1)本組逆變階段：從a點到b點，電動機正向電流衰減階段，VF組工作；(2)它組整流階段：從b點到c點，電動機反向電流建立階段，VR組工作；(3)它組逆變階段：從c點到d點，電動機恒值電流制動階段，VR組工作。如果是反向起動，則從d點開始又一次地進入起動過程。4.2.3轉速反向的過渡過程分析配合控制有環流可逆直流調速系統正向制動過渡過程波形1.本組逆變階段Ⅰ在正向制動過程以前，電動機是處于正向電動穩定工作狀態，對照圖4-14，由于ASR、ACR調節器的倒相作用，所以圖中參數的極性為：Un*(+)→Ui*(-)→Uc(+)。VF組是工作在整流狀態，稱它為本組；VR組是工作在待逆變狀態，稱它為它組。發出停車指令后，進入電動機制動過程中的正向電流衰減階段：Un*(=0)→ΔUn(-)→Ui*(=U*im)→Uc(=-Ucm)本組VF組由整流狀態很快變成βf=βmin的逆變狀態，它組VR組由待逆變狀態轉變成待整流狀態。電動機反電動勢E極性未變，迫使Id迅速下降，主電路電感迅速釋放儲能，企圖維持正向電流，大部分能量通過本組回饋電網，所以稱作“本組逆變階段”。2．它組整流階段Ⅱ當主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第Ⅰ階段結束，轉到它組VR工作，開始通過它組制動。當時，它組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供-Id。本組VF由“逆變”進入待逆變。在它組整流電壓Udor和反電動勢E的同極性的情況下，反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態，稱作“它組反接制動階段”。3．它組逆變階段ⅢACR調節器退飽和的唯一途徑是反向電流Idm的超調，此超調表示了制動軌跡圖中的電動機恒值電流制動階段的開始：ACR的控制目標是維持Id=Idm。由于ACR是Ⅰ型系統，電流調節系統的擾動是電動機的反電動勢，它是一個線性漸減的擾動量，所以系統做不到無靜差，而是接近于-Idm。電動機在恒減速條件下回饋制動，把屬于機械能的動能轉換成電能，其中大部分通過VR逆變回饋電網，稱作“它組逆變階段”或“它組回饋制動階段”。4．電機停止階段“它組反接制動階段”和“它組逆變階段”都是反組VR工作，直到制動結束，總稱它們為“它組制動階段”。最后，轉速下降得很低，并略有反轉，ASR開始退飽和。于是，電流減小，電動機隨即停止。如果需要在制動后緊接著反轉，Id=-Idm的過程就會延續下去，直到反向轉速穩定時為止。4.3 弱磁控制的直流調速系統變電樞電壓方法是從基速（即額定轉速）向下調速。在變壓調速范圍內，因為勵磁磁通不變，電磁轉矩Te=KmΦId，允許的轉矩也不會變，稱作“恒轉矩調速方式”。降低勵磁電流以減弱磁通是從基速向上調速。在弱磁調速范圍內，轉速越高，磁通越弱，容許的轉矩不得不減少，轉矩與轉速的乘積則不變，即允許功率不變，是為“恒功率調速方式”。當負載要求的調速范圍大時，就采用變壓和弱磁配合控制的辦法，即在基速以下保持磁通為額定值不變，只調節電樞電壓，而在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速，弱磁與調壓配合控制特性電樞電壓控制系統仍采用常規的轉速、電樞電流雙閉環控制。弱磁程度用勵磁電流閉環控制，勵磁電流調節器AFR一般采用PI調節器。當電動機在額定轉速以下變壓調速時，勵磁電流給定U*if=Uifn=βfifn，